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自己組織化量子ドットの最先端
東京大学 大学院工学系研究科、CREST-JST 市川昌和 半導体量子ドットにおいては、キャリアーの閉じ込めにより、(1)電子状態が離散準位に集中す る、(2)電子と正孔の波動関数が重畳し振動子強度が増大する、(3) 位置と波数間の不確定性関係 により波数保存則が緩和し直接遷移化する、などの効果により、発光効率の増大が期待できるた め、化合物半導体や IV 族半導体分野で、これまでに多数の研究がなされてきた。特に、間接遷移 型である IV 族半導体においては、(3)の効果によって、大幅な発光効率の増大が期待されている。 量子ドットを基板上に作製する一般的な方法は、Stranski-Krastanov (SK)成長を利用するもので ある。ここでは、基板と格子定数の異なる物質の成長時において、表面と界面のエネルギー総和 を極小にする過程が進行し、濡れ層上に量子ドットが成長する。しかし、この成長では、主に蒸 着原子の表面拡散や核形成頻度により大きさや面密度が決まるため、大きさを 10nm 以下にするこ と、大きさのばらつきを抑えることや、面密度を 1011/cm2以上にすることが困難である。これま で、これらの問題を解決するために、基板表面を改質する表面変性法や、基板の微細加工により ドットの成長位置や大きさを制御する、などの数々の試みがなされてきた。我々は、表面変性法 の一つとして、Si 基板上に１分子層の厚さを持つ極薄 Si 酸化膜を形成し、この基板上に物質を 蒸着することにより、大きさ：10nm 以下、面密度：1012/cm2以上の量子ドットを、自己組織的に 作製する方法を開発した。本講演では、この作製法および作製した量子ドットの電子・光物性を 中心に報告する。 図１に、Si(001)基板上に極薄 Si 酸化膜を形成し、Ge を蒸着した試料の STM 像を示す。5nm 程度の大きさで、面 密度が 1012 cm-2程度の大きさの揃った Ge 量子ドットが成 長している。このような成長様式は、極薄 Si 酸化膜上に おける Ge の核形成が Ge と極薄 Si 酸化膜の化学反応によ り起こること、Si 酸化膜の存在により蒸着原子をドット 内に閉じ込めるポテンシャルバリアーが形成され、ドット 間の原子交換が抑制されること、などによって発現する [1]。核形成時において、大きさが 1nm 以下のボイド（孔） が極薄 Si 酸化膜中に形成され、Si 基板上でヘテロエピタ キシャル成長が起こるが、ボイドの大きさが小さいため格 子定数の違いによる格子歪がほとんど緩和される。このた め、Ge 量子ドットだけでなく、β-FeSi2量子ドット[2]、 GeSn 量子ドット[3]、GaSb 量子ドット、などの Si と格子定数が大きく異なる物質の量子ドットを、 Si 基板上に成長することができた。さらに、蒸着量を制御することによって、5nm 以下の大きさ にできるため、室温において、Ge 量子ドットにおける量子閉じ込め効果[4]やクーロンブロッケ ード現象[5]を観測することができた。また、Ge 量子ドットを Si 薄膜に埋め込んだ試料から、光 通信波長帯の領域である 0.8eV 付近にピークを持つ、強度の大きいフォトルミネッセンスやエレ クトロルミネッセンスを観測できた[6,7]。[1] Phys. Rev. B 62, 1540 (2000). [2] J. Appl. Phys. 100, 044313 (2006). [3] Appl. Phys. Lett. 91, 013109 (2007). [4] Appl. Phys. Lett. 87, 133119 (2005). [5] Appl. Phys. Lett. 90, 153104 (2007). [6] Appl. Phys. Lett. 88, 121919 (2006). [7] J. Phys.: Condens. Matter 19, 136004 (2007)
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